苤蓝皮中果胶的提取工艺研究

【摘 要】本文采用微波辅助加热法从苤蓝皮中提取果胶，通过单因素试验，得出微波加热时间t、料液比和提取液pH对果胶得率有显著影响，并用响应面分析法优化了提取工艺参数（微波加热时间t、料液比和提取液pH）对果胶提取率的影响。选择微波加热时间、料液比和提取液pH为自变量， 果胶的提取率为响应值，采用Box-Behnken试验设计方法，研究各单因素及其交互作用对果胶提取率的影响。实验结果表明，苤蓝皮中果胶的提取最佳工艺条件为：微波加热时间51.14s，料液比1：31，提取液pH1.31，苤蓝皮粉末提取果胶最高得率15.09。

【关键词】苤蓝皮；果胶；微波辅助提取；响应面分析

Abstract：This paper use microwave-assisted method extraction （MAE） to extract pectin from kohlrabi peel， by single-factor test， obtained by microwave heating time， solid-liquid ratio and pH has a significant influence to the pectin extract ratio， The response surface methodology （RSM） is used to optimize the extraction process parameters （microwave heating time， solid-liquid ratio and extract pH）， which are play an important role in the process of pectin extraction rate. Select microwave heating time， solid-liquid ratio and extract liquid pH as extract variables， pectin extraction rate of response to the value， using Box-Behnken experimental design method to study all their interactions on pectin extraction rate. Experimental results show that Kohlrabi peel powder pectin optimum extraction conditions are： microwave heating time： 51.14s， solid-liquid ratio： 1：31， extract pH： 1.31， Kohlrabi peel powder extraction pectin the highest rate is 15.09%.

Key Words：ohlrabi peel； Pectin； Microwave-assisted extraction（MAE）； Response surface methodology（RSM）.

引言

苤蓝，又名球茎甘蓝、玉蔓青、苴莲。是一种在我国产销量都很大的蔬菜。本实验利用苤蓝皮为原料，采用微波辅助提取法提取果胶类物质，期望为苤蓝皮的综合利用提供一定的参考[1-3]。

一、材料、试剂与仪器设备

（一）材料与试剂

（1）原料

苤蓝，购于临汾市尧丰市场

（2）化学试剂

98%的浓硫酸、无水乙醇、浓盐酸、氢氧化钠、咔唑，均为分析纯AR；半乳糖醛酸（Sigama公司产品）。

（二）试验仪器与设备

二、试验方法

（一）工艺流程

苤蓝皮灭酶漂洗烘干粉碎微波辅助提取抽滤滤液处理测定其吸光度计算果胶得率。

（二）标准曲线的绘制[4]

从浓度为1.0mg/mL的半乳糖醛酸溶液中分别取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mL在50mL容量瓶中定容至刻度，形成浓度为10、20、30、40、50和60μg/mL的半乳糖醛酸标准溶液。在七支比色管中，分别加入分析纯浓硫酸6mL，置于冰水中冷却，边冷却边缓缓加入浓度为10、20、30、40、50、60μg/mL的半乳糖醛酸溶液各1mL，在第七支比色管中加入1mL蒸馏水作空白对照，充分混合后继续冷却，然后于沸水浴中加热10min，冷却至室温后，再加入0.15%咔唑0.5mL，充分混合，室温放置30min，在波长530nm处以空白试剂作对照，测定吸光度A，并建立果胶含量的标准曲线。

（三）果胶提取工艺的确定

（1）单因素试验

1、微波加热时间对果胶提取率的影响

准确称取0.5g的苤蓝皮粉末5份，在料液比1：30、提取液pH1.5、微波功率450W不变的条件下，分别对样液采取微波加热辅助法提取，微波加热时间分别取为：30s、50s、70s、90s、110s，同时做平行试验3次，所得结果取平均值。比较所得结果，选择合适的微波加热时间。

2、料液比对果胶提取率的影响

准确称取0.5 g苤蓝皮粉末5份，在微波加热时间t=70s、提取液pH1.5、微波功率450W的条件下，料液比分别取为1：20、1：25、1：30、1：35、1：40，采用微波加热辅助法提取，同时做平行试验3次，结果取平均值。比较所得结果，选择合适的料液比。

3、提取液pH对果胶提取率的影响

准确称取0.5 g苤蓝皮粉末5份，采用上述实验确定的提取时间和料液比，在微波功率450W下，提取液pH分别选择1.0、1.5、2.0、2.5、3.0，采用微波加热辅助法处理，同时做平行试验3次，结果取平均值。比较所得结果，选择合适的提取液pH。

（2）响应曲面法试验设计[5]

在单因素试验的研究基础上，采用Box-Behnken设计方案，选取微波加热时间（X1）、料液比（X2）和提取液pH（X3）三个因素的3个水平对响应值（果胶提取率）进行响应面试验设计，其中+1、0、-1分别代表变量的水平，响应面设计因素与水平见表1。

表1 响应面设计因素与水平表

Tab. 1 Factors and Levels for Box-Behnken Design Table

（四）果胶含量的测定

本文所有试验果胶含量测定方法均为：将提取液移入50mL的容量瓶定容至50mL，吸取5mL再次定容至50mL，取1mL按照本文2.2.2处理，530nm处测定吸光度值，根据标曲换算，计算果胶得率。

果胶得率计算公式：

三、结果与分析

（一）标准曲线与回归方程的建立

图1 果胶标准曲线

Fig.1 Calibration curve of pectin

（二）单因素试验结果与分析

（1）微波加热时间对果胶提取率的影响

图2 微波加热时间对果胶提取率的影响

Fig.2 Effect of microwave heating time on the extraction rate of pectin

延长加热时间有利于苤蓝皮中的果胶转移到液相中，果胶的产率提高，70s时达到最大产率。如果温度太高，果胶就会发生去甲基化和解聚[6]。因而，微波辅助加热最佳时间选择为70s。

（2）料液比对果胶提取率的影响

图3 料液比对果胶提取率的影响

Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on the extraction rate of pectin

随着料液比的增大，苤蓝皮中果胶的提取率增加，1：30时果胶得率最大。

（3）提取液pH对果胶提取率的影响

图4提取液pH对果胶提取率的影响

Fig.4 Effect of extraction liquid pH on the extraction rate of pectin

开始时随着提取液pH值的降低果胶提取率在逐渐增加，这主要是因为随着pH值的降低原果胶水解逐渐增强，pH为1.5时达到最大提取率；此后果胶得率开始呈下降趋势，且下降趋势较大。这是因为pH值过低时，原果胶水解过度，致使果胶脱去酯基和裂解[13]。而pH值过高时，酸的作用不明显，果胶的提取不完全，果胶的提取率低。苤蓝皮果胶的提取最佳pH为1.5。

（三）响应曲面分析与结果

（1）设计响应曲面试验

根据Box-Beknhen中心组合试验设计原理，以微波加热时间、料液比和提取液pH对应三个独立变量 X1、X2、X3对响应值（果胶提取率）进行三因素三水平的响应面分析试验。设计方案及果胶提取率的测定结果见表2。

（2）模型的建立 [7-8] 及显著性分析

本试验分别以独立变量X1、X2、X3对应3个提取因素微波加热时间、料液比和提取液pH，并以-1，0，1分别代表变量的水平（见表1），按下式对自变量进行编码：

xi=（ Xi- X0）/ΔXi，i=1，2，3；

式中：xi为变量Xi的编码值；

X0为变量Xi的试验中心点的值；

X为变量Xi的变化间隔值。

利用Design Expert 7.0（version 7.0， Stat-EaseInc，Minneapolis，MN.USA）软件对

表2数据进行多元回归拟合，得二次多元回归模型为（Fin概率=0.05，Fout概率=0.1）：

Y=+15.05-0.22X1+0.16X2-0.25X3-0.35X1X2-0.37X1X3-0.42X2X3-0.46X12-1.00X22-0.59X32

该方程预测了独立变量X1、X2、X3这三个因素在苤蓝皮果胶提取中的影响。

该模型回归方程系数及其显著性检验（见表3），由表3可知，X3、X1X3、X12、X22和X32为显著影响因素。各影响因素中，影响最大的是二次项的微波加热时间（X12），其次是二次项的提取液pH值（X32），一次项的提取液pH值（X3），二次项的微波加热时间（X12）以及交互项的微波加热时间、提取液pH值（X1X3）和二次项的提取料液比（X22），表明各因素对果胶提取率的影响不是简单线性关系。

模型的可靠性也可从表3的回归模型的方差分析（ANOVA）和相关系数来分析，当“Pr >F”值小于0.001时，即表示该项指标显著。对果胶提取率方差分析结果表明对果胶提取率所建立的回归模型是极显著的（P

表2 响应面分析方案与试验结果

Table 2 Response design and test results of pectin extraction

注①：X1、X2、X3在响应曲面图中分别为 A、B、C。

表3 回归方程系数及其显著性检验

Table 3 Test of significance for regression coefficient

R2=0.9581 R2Adj=0.9043

（3）响应面分析与优化

1、微波加热时间和料液比交互作用

a

b

图5微波加热时间与料液比对果胶提取率的响应面图（a）与等高线（b）

Fig.5 Surface plot （a） and contour plot （b） of the effects of microwave heating time and liquid-solid ratio on the extraction rate of pectin

由图5（a）可知，当提取液pH值为1.5时，在本试验范围内，随着微波加热时间和料液比的增大，果胶的提取率先呈上升趋势，之后又开始下降。由图5（b）可以看出其等高线的形状为椭圆形，表现为微波加热时间和料液比交互效应显著。同时也可以看出料液比对果胶提取率的影响显著，表现为较陡的曲线，微波加热时间对果胶提取率的影响较小，表现为曲线较平缓。

2、提取液pH值和微波加热时间交互作用

图6微波加热时间和提取液pH值对果胶提取率的响应面图（a）与等高线（b）（如下）

Fig.6 Surface plot （a） and contour plot （b） of the effects of microwave heating time and pH value on the extraction rate of pectin

由图6可知，当料液比为1：30时，在本试验范围内，提取液pH值和微波加热时间交互效应对果胶提取率的影响显著，表现为其等高线的形状为椭圆形，而且提取液pH值对果胶的提取率的影响较显著，表现为曲线较陡；微波加热时间对果胶提取率的影响较小，表现为曲线较平缓。

a

b

3、提取液pH值和料液比交互作用

a

b

图7料液比和提取液pH值对果胶提取率的响应面图（a）与等高线（b）

Fig.7 Surface plot （a） and contour plot （b） of the effects of liquid-solid ratio and pH value on the extraction rate of pectin

由图7（b）可知，当微波加热时间为70s时，在本试验范围内，pH值对果胶提取率的影响极显著，料液比对果胶提取率的影响较小。由于等高线的形状接近圆形，可知其交互效应对提取率的影响不显著。

4、最优工艺条件求取

由上述试验数据知，提取液pH值和微波加热时间之间的交互效应最显著，微波加热时间和料液比之间的交互效应次之，料液比和提取液pH值的交互效应最不显著。综合比较，可知因素的主效应关系为：提取液pH值>微波加热时间t>料液比。

为进一步确定最佳点值，对二次多元回归模型取一阶偏导等于零，得到如下三元一次方程组[18]：

-0.22-0.92 X1-0.35X2-0.37X3=0；

0.16-0.35X1-2.00X2-0.42X3=0；

-0.25-0.37X1-0.42X2-1.18X3=0。

对方程求解得：X1=0.057，X2=0.011，X3=-0.38。

变换为真实值为：微波加热时间为51.14s、料液比1：31，提取液pH值为1.31。此条件下，果胶提取率理论值为15.09%。

四、结论

将微波辅助加热法应用于果胶提取可以加快组织的水解，使果胶的提取时间较传统提取法大大缩短。采用Design-Expert 7.0 软件二次回归试验设计优化果胶提取参数（微波加热时间t、料液比和提取液pH）取得了较好的效果。

试验结果表明，果胶提取最佳优化工艺参数为：微波加热时间51.14s、料液比1：31、提取液pH1.31；果胶的平均提取率可达15.09%.可见微波辅助加热提取果胶的工艺方法较为合理。该模型能较好地反映果胶的提取条件，也证明了响应面分析法在确定苤蓝皮果胶微波辅助提取条件的可行性。可见，采用微波辅助加热法提取果胶和用响应面分析法优化工艺参数不仅科学合理，而且快速有效，为以后的果胶分离纯化及工业化生产提供了一定的依据。

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